布袋除塵器中矩陣式脈沖閥控制設計應用研究

呂志偉，任俊

（重慶中建機械制造有限公司，重慶 401325）

1 引言

在環保型工業發展背景下，固廢焚燒處置項目數量增加，將袋式除塵器應用于焚燒處置項目中，可過濾煙氣中的粉塵，降低排煙顆粒度，實現節能環保目標。國外研究重點關注除塵器脈沖電磁閥技術原理，力求依靠沖擊振動達到清灰效果。本研究提出矩陣式脈沖閥控制系統設計模式，對傳統邏輯聯鎖程序編寫進行優化，不但可預防潛在邏輯沖突，還可適應各種工況，滿足環保要求。

2 矩陣式脈沖閥控制系統設計

2.1 硬件設計

布袋除塵系統的主要控制對象為各倉室內的脈沖噴吹閥，控制系統構成為PLC 柜、就地操作箱、人機界面（HMI）與煙氣壓力變送器等。在操作箱上設定遠程就地按鍵、脈沖閥觸發按鍵等，在安裝調試環節使用。在就地運行模式下，通過倉室號BCD 撥碼器明確所需調試的倉室編號，按下相應的脈沖閥按鈕，系統便可輸出驅動信號，為調試中故障確定與參數校驗提供便利。除塵器運行狀態主要由出入口煙氣壓力測量值表示，依靠變送器將轉換為4～20 mA 信號接入PLC 柜中的輸入模塊，再在HMI 生產單元中設定中央操作室，依靠二次開發畫面展現系統運行信息，如持續工作時長、工作模式、出入口壓力差等，還可查閱歷史記錄、運行狀態、故障程度等。PLC柜安裝于電氣室中，包括I/O 輸入單元、CPU 和固態繼電器等，用于接收中央操作室傳輸信號，依靠軟件計算結果，啟動PLC柜內固態繼電器，將運行信息傳遞給操作室，如圖1 所示[1]。

圖1 硬件結構圖

2.2 軟件設計

2.2.1 運行模式

結合實際生產情況，通過HMI 站的組態畫面，技術人員可選擇相應的運行模式，如半自動運行、持續運行、手動模式等，各模式的功能設計如下。

1）手動操作

該模式由技術人員根據組態畫面顯示，在任意點確定倉室號碼，對需要噴吹的脈沖閥進行操作；可在遠程模式下判斷脈沖閥運行狀態，還可在某個脈沖閥發生故障后采取應急處理措施。

2）持續運行

在遠程控制支持下，脈沖閥結合生產現狀，事先設定自動清灰周期、壓差啟動值等，實現自動化作業。在對含灰量較高的固廢原料焚燒時，可將噴吹周期設定為2 h，各倉室中的脈沖閥每間隔2 h 會按照事先設定的工作方式進行清灰。當除塵袋出口側的煙氣壓力差值超過設定值時，無論系統是否達到自動清灰時間，除塵器均會自動啟動噴吹模式進行清灰，該模式自動化程度高，可有效減輕從業者作業量，且安全可靠。

3）半自動運行

在遠程控制支持下，脈沖噴吹閥自動運行，在選取此種模式后，根據噴吹控制程序按順序開展清灰工作，先從1 號倉室的1 號脈沖閥開始，逐個變更倉室號，使各倉室中脈沖閥參與噴吹工作，待全部倉室中脈沖閥噴吹結束后，替換為第二個脈沖閥，重新從1 號倉室進行循環，直至全部脈沖閥噴吹結束，再替換成3 號脈沖閥，如此循環，直至各倉室的脈沖閥均按順序噴吹結束。該循環過程包含3 個周期，即脈沖閥運行時間，用Tp表示；相同脈沖閥號碼在周期內變更倉室號碼的間隔周期，用Ti表示；不同脈沖閥號碼的噴吹間隔時間，用Tc表示，脈沖順序如圖2 所示。因該模式需操作者觸發后才可自動運行，故稱為半自動運行。不同固廢焚燒原料的含灰量、周期設定等不盡相同，應結合模式特點合理選擇[2]。

圖2 脈沖閥運行順序

2.2.2 參數設置

根據HMI 站組態畫面，技術人員可結合授權等級，對運行參數進行設置，包括脈寬、脈沖間隔、循環停機時間等（見表1），使多種固廢料焚燒后的清灰需求得到滿足。技術人員還應密切觀察設備運行狀態，在發生異常時及時干預，系統軟件帶有豐富的數據顯示框、狀態欄，可通過HMI 站畫面展示，包括出入口煙氣壓力值、運行時間指示、運行模式等，便于操作者獲得完整的設備信息，對工長進程進行科學指示[3]。

表1 控制參數設定

2.2.3 矩陣控制

在PLC 自動程序編制中，矩陣控制閥屬于關鍵工具，需結合項目實際情況，將除塵脈沖閥的運行過程合理分解，依靠轉換條件實現每個流程的轉換。在符合轉換條件的情況下，由前一步轉換為后一步，每個環節的PLC 程序輸出點均有相應輸出狀態進行匹配。在單序列、并行序列模式下，該應用可有效避免相鄰步驟僅有一個有效的問題，預防邏輯聯鎖交叉和信號沖突情況。在控制軟件程序編輯過程中，應考慮到軟件在布袋除塵器中的適用性，立足知識管理與遷移，整個程序利用FB 功能塊封裝，有助于程序塊重復利用，提高使用效率。在接口數據存儲中，背景數據塊DB、FB 功能塊中程序利用結構化編程，可為后續調試提供諸多便利。

3 矩陣脈沖閥控制系統在布袋除塵器中的應用

3.1 項目概況

某項目引入1 臺布袋除塵器，含有5 個倉室，各倉室配備7 個脈沖閥。在以往設計模式下，各脈沖閥與PLC 輸出點相對應，共需35 個輸出繼電器與I/O 輸出模塊，各繼電器還要1 根控制電纜與就地脈沖閥相連。因系統分室數量眾多，此種模式的設計強度較大、結構復雜，與現代化控制系統應用需求不符，急需對控制系統進行優化升級，以提高布袋除塵器的應用效能。

3.2 矩形控制模式

針對傳統設計模式的不足，采用矩形設計模式，該模式下的各倉室僅需輸出一路DO，7 個脈沖閥分別輸出一路DO，即可使脈沖閥的噴吹控制需求得到滿足。在實際運行中，控制優化原理如下：共設定5 行7 個列矩陣，5 行指代5 個倉室，7 列指代各倉室中的脈沖閥數量，5 路轉換按鍵可實現1～5 各倉室自由選擇。在選取某個倉室后，該倉室中的7 個脈沖閥便要帶24 V 電壓。例如，選取1 號閥門后，該倉室中的1 號閥24 V 電源的地線接通，通電吸合，實施噴吹。繼電器均設定為干接點輸出，由低壓柜中24 V 電源模塊提供電源，24 V 電源與轉換按鍵SA 相連，24 V 電源的地線接入PLC 選閥節電器內，調整為手動控制模式。按下選室轉換按鍵，任意選擇某個倉室，按下從1～5 選室按鈕中的任意一個，與之相對的閥便可獲得電流，實現噴吹。在自動控制模式下，就地轉換按鈕調至遠方，在PLC 畫面上選擇控制模式，例如在線或離線、定時或定阻等，在噴吹模式選定后，正式開啟，按事先設定的邏輯程序與參數進行噴吹。在噴吹過程中，每次僅開啟1 個脈沖閥，確保壓力值與清灰要求相符，設定范圍0.3～0.4 MPa，可按照噴吹管大小靈活選擇，噴吹順序如下：

先從1 號倉室的1 號閥開始噴吹，然后是2 號倉室脈沖閥噴吹，最后是5 號倉室中1 號閥噴吹，完成一個循環。在第二個循環中，先是1 號倉室的2 號閥噴吹，然后是1 號倉室2號閥噴吹，最后是5 號倉室2 號閥噴吹，如此反復，直至5 號倉室的7 號閥噴吹完畢，完成一個噴吹周期。在周期循環中如若出現異常情況，需要設備檢修或暫停運行，只需暫停噴吹即可，下次噴吹時接著上次噴吹順序，直至整個噴吹周期完成；利用PLC 進行遠程噴吹，各參數均可在PLC 上位機畫面中設定。將脈沖閥設置在除塵器頂部，電氣元件安裝到控制箱中，箱內安裝選擇按鍵、電源指示燈、接線端子排等，從PLC 至控制箱的電纜利用箱內端子排轉接。在設備單機調試過程中，依靠就地控制箱的就地遠程按鈕，便可對35 個脈沖閥逐一測試，直至就地測試完畢，轉換按鍵打至遠方，再從PLC 畫面中逐一測定各個脈沖閥，最終完成遠程調試工作[4]。

3.3 應用效果

在控制軟件變成后，設計者開展仿真試驗，結合工程現場情況，實施單機調試與設備聯合調試，該項目在規定期限內正式運行，軟件運行無異常，與工藝功能要求相符合。與傳統設計模式相比，應用效果更顯著，具體如下。

1）現場調試時間有效縮短。在仿真試驗與單機調試基礎上，有效縮短現場調試中需要修改的程序量，只需按照煙氣品質合理調整部分生產運行參數即可，便可在短期內完成調試工作，使整個產線均能如期投入使用。

2）HMI 畫面更友好。在袋式除塵器運行中，矩陣控制法賦予生產過程明確的段位標志，使操作者能夠清楚地判斷除塵器的運行狀態、所處環節等，預知后續步驟需要執行的動作，有利于操作水平提升，系統安全穩定運行。

3）運行維護更便利。與傳統控制相比，矩陣控制中的電路設計得到優化，PLC 開關量由96 點降至35 點，PLC 模塊數量明顯降低，輸出中間繼電器數量也隨之減少，且系統控制簡單明了，線路故障率降低，故障排查方便快捷，為日常運行維護工作帶來便利。

4 結語

近年來，工業生產更加注重粉塵控制問題，將布袋除塵器應用到生產中，通過優化設計與特殊濾袋材料，可滿足粉塵長期超低排放要求。脈沖閥是除塵器的控制對象，其傳統設計模式下結構較為復雜，影響運行效果，將矩陣式控制模式投入使用后，利用矩陣控制法進行軟件設計、功能圖繪制，可使繪圖與工藝滿足功能需求，對連鎖條件二次確認，根據不同焚燒原料性質，合理選擇運行模式與脈沖參數，在自動運行、手動運行等模式下，使各倉室循環作業，充分發揮脈沖閥的技術效能，縮短現場調試時間，有效降低成本支出，達到預期清灰效果。